肠道菌群与类风湿关节炎

风湿免疫淋床医学

2024-08-29

肠道菌群与类风湿关节炎

作者：李绘林，李鸿斌

【摘要】类风湿关节炎(RA)是一种以侵袭性滑膜炎为病理特征的慢性自身免疫性疾病，其发病机制尚未完全阐明。目前认为是遗传易感性个体，在环境因素的影响下瓜氨酸化自身抗原，刺激产生抗瓜氨酸化抗体，后者以二次打击模式造成关节及附属器的损伤。肠道菌群就是重要的环境因素之一，其紊乱破坏肠黏膜屏障，引发肠黏膜下炎症，活化的炎症细胞和促炎细胞因子以及菌群代谢产物能够通过肠黏膜进入血运循环，以肠-关节轴形式参与到RA发病机制中。近年研究发现，口服益生菌可通过重建肠道菌群平衡，调节代谢和免疫治疗RA。

【关键词】菌群失调；肠-关节轴；益生菌；类风湿关节炎

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类风湿关节炎(rheumatoid arthritis，RA)患者的口腔牙龈卟啉单胞菌易位迁移至肠道或者肠道黏膜定植菌群失调时，会增加肠黏膜通透性，细菌及其代谢产物随即进入黏膜下层，刺激产生局部肠黏膜下炎症，诱发非特异性免疫应答，活化的炎症细胞及其分泌的细胞因子可以通过体循环到达关节，引发滑膜炎症[1]。肠-关节轴学说为环境因素参与RA患者滑膜炎发病机制提供了解释。益生菌是一类对宿主有益的活性微生物，其定植能改变肠道菌群构成，影响肠道黏膜屏障及宿主免疫功能，成为可用于治疗RA的新靶点和有益手段。

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1、肠道菌群在类风湿关节炎发病机制中的作用

慢性牙周炎中RA患病率高于普通人群，早期RA患者牙周炎患病率也高于健康对照[2]。二者有共同的高危因素如吸烟、肥胖、遗传易感性等。牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis，Pg)是引起RA患者牙周炎的关键病原体，其感染会激活蛋白酶和肽基精氨酸脱亚氨酶(Porphyromonas gingivalis peptidylarginine deiminase，Pg-PAD)，后者与人PAD具有相似的酶催化功能，只是Pg-PAD仅能瓜氨酸化多肽链羧基端的精氨酸残基。瓜氨酸化修饰的自身抗原表位，通过其免疫原性优势，打破机体对瓜氨酸化蛋白的免疫耐受，产生抗瓜氨酸化抗体(anti-citrullinated antibodies，ACPAs)[3]。这种新的抗原表位不仅局限于口腔黏膜，还能够在口腔屏障破裂期直接入血，或通过肠-关节轴易位至远处组织。Pg可以在巨噬细胞和树突状细胞内存活，随体循环易位。在RA患者血清和炎性滑膜中可找到Pg染色体DNA，进一步证实了上述观点[4-5]。同时，Pg对酸的抵抗力很强，所以当一定数量的Pg随唾液通过胃酸环境时，仍有大量存活的细菌。但Pg并不是对所有疾病均有致病作用，在关节炎与非关节炎的研究对比中发现，Pg无法破坏正常的肠道屏障，只有当RA鼠模型先出现肠黏膜破坏，才能允许Pg的致病作用[6]，通过肠-关节轴，使ACPA与关节微环境中存在的抗原形成交叉反应，发生二次打击，加重RA的炎症反应。同时，Pg能够引起肠道菌群失调，降低Th17细胞和粪便IgA水平，增加M1/M2巨噬细胞比率，从而促进慢性炎症[4-5]。

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大量关于RA肠道微生物群特征的宏基因组研究发现，RA患者肠道菌群改变有共同特征。在疾病不同阶段都存在肠道菌群稳态失常[1]，表现为细菌多样性降低，大部分革兰阴性菌减少，革兰阳性菌增多。RA患者与正常人群对照组相比，嗜血杆菌属(Haemophilus)、粪杆菌属(Faecalibacterium)、链球菌属(Streptococcus)、普雷沃氏菌属(Prevotella)的丰度存在较大差异[7]，总体表现为耗丁酸菌增多，产丁酸菌减少[8]，但部分菌群差异在RA治疗缓解后可以恢复[9]。

RA不同临床时期表现出不同的菌群及其代谢产物的变化。Cheng等[10]发现，单形拟杆菌(Bacteroides uniformis)和平常拟杆菌(Bacteroides plebeius)的数量随着RA进展而下降，抑制糖胺聚糖代谢，持续损伤关节软骨。当RA患者出现骨或软骨破坏时，大肠杆菌(Escherichia coli)数量增加，促进精氨酸琥珀酰转移酶途径，增加类风湿因子水平。高表达的甲氧基乙酸可以抑制影像学分期Ⅱ期RA患者的成骨细胞，促进骨侵蚀。而半胱氨酸-S-硫酸盐却可抑制Ⅲ期RA患者的破骨细胞。紊乱的肠道菌群代谢产物会破坏由黏液层、抗菌蛋白、sIgA抗体组成的化学屏障以及肠上皮细胞间的紧密连接结构[1]。此外，RA肠黏膜屏障的抑炎介质如消退素n-3二十二碳五烯酸(RvD5n-3 DPA)浓度显著降低，下调了IL-10表达[11]；肠道缺氧诱导因子(HIF)-2α增加，上调封闭蛋白-15(claudin-15)表达，进一步增加了肠黏膜通透性[12]。但细菌并不是在RA的任何阶段都会到达关节滑膜，目前只在Ⅳ期RA患者的关节滑液中分离到细菌，这表明随着RA疾病进展，肠道通透性持续增加，可能在Ⅳ期诱导肠道微生物侵入关节滑液[10]。

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RA患者肠道内大肠杆菌(Escherichia coli)和牛链球菌(Streptococcus Bovi)数量增加，通过增强抗坏血酸降解，促进RA发生。牛链球菌(Streptococcus Bovi)主要在RA的早期发挥作用，大肠杆菌(Escherichia coli)在RA的整个阶段发挥作用。抗坏血酸的降解，通过增加血浆代谢物棕榈酸的水平，促进关节软骨细胞和滑膜成纤维样细胞分泌IL-6，从而加重关节炎[13]。

当肠道致病菌及其代谢产物等穿过肠上皮时，机体启动固有免疫和适应性免疫，影响CD4+T细胞分化，增加促炎细胞因子的产生。普雷沃氏菌种Prevotella copri(P.copri，Pc)在临床前RA、已确诊RA患者及其一级亲属肠道中数量增加，在初发RA患者粪便中明显升高[14-16]。Pc可以表达免疫原性蛋白Pc-p27，这是一种诱导幼稚的辅助性T细胞向Th1分化的蛋白质。RA患者的血清抗Pc-p27 IgA显著升高，IgG有升高趋势。在CCP抗体阳性的RA患者中，血清抗Pc-p27 IgG水平也有升高趋势，但在健康人群中检测不到抗P.copri抗体[17]。肠道菌群还能诱导Th细胞向Th17细胞分化，破坏Th17/Treg平衡，加重RA的炎症反应。例如分节丝状菌(Segmented filiable Bacillus)，通过增加回肠血清淀粉样蛋白A和IL-23产生，激活Th17细胞和3型先天淋巴细胞(ILC3s) [18]。

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2、益生菌治疗类风湿关节炎的基础研究进展

益生菌及其代谢产物通过重建肠道菌群平衡，修复肠黏膜屏障，调节免疫反应，可能是辅助治疗RA的新方向。

2.1 益生菌阻止致病菌入侵肠黏膜

乳酸菌(lactic acid bacteria)中的乳杆菌属(Lactobacillus Beijerinck)和双歧杆菌属(Bifidobacterium)是目前最常用和研究最多的益生菌，因为部分乳杆菌属(Lactobacillus Beijerinck)对酸性环境和胆汁高度耐受，能够抑制潜在致病物种、抵抗抗生素、产生胞外多糖、清除胆固醇，为益生菌治疗RA提供了保障。进入肠道的益生菌在胞外多糖和疏水性表层蛋白质的介导下自动聚集，通过竞争性排斥，以更强的黏附力黏附于上皮细胞，减少致病菌的黏附。BopA就是一种半胱氨酸锚定的外表面脂蛋白，通过增加CACO-2细胞释放CXCL8，促进双歧杆菌(Bifidobacterium)的黏附，减少了致病微生物构成比例[19]。同时，乳酸菌(lactic acid bacteria)可以促进B细胞向浆细胞分化，上调肠黏膜中sIgA的生成和分泌，修复肠黏膜化学屏障。干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)等益生菌通过增加丁酸盐的含量，促进紧密连接蛋白ZO-1、ZO-2和扣带蛋白的表达，从而修复物理屏障，降低肠黏膜通透性。此外，益生菌还能修复肠上皮细胞上覆盖的黏液层，其中乳酸杆菌(Lactobacillus)可以促进RA患者肠道中粘蛋白MUC3的表达，增加MUC2蛋白的产生和分泌；罗伊乳杆菌(Lactobacillus reuteri)又可以增加黏液层厚度，这些改变重建了含消化酶的保护屏障，进一步阻止了病原体入侵[20]。

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2.2 益生菌调节RA免疫反应

益生菌能调节RA固有免疫和适应性免疫，下调TLR表达，减轻炎症反应。与健康对照组相比，RA患者粪杆菌(Faecalibacterium)等产丁酸菌减少，而外源性摄入产丁酸盐的益生菌能够补充丁酸盐，促进Treg细胞分化，抑制Th17细胞和滤泡辅助T细胞分化，调节Th17/Treg平衡。通过抑制组蛋白去乙酰化酶2和促炎细胞因子的表达，抑制破骨细胞活性，从而降低关节炎的严重程度[8]。除此之外，丁酸盐能抑制抗原特异性B淋巴细胞和浆细胞的增殖，降低自然杀伤T细胞水平，而这些细胞亚群与关节炎症和组织降解有关[21]。除了丁酸盐，脆弱类杆菌(Bacterooides fragilis)的荚膜多糖A也可以诱导T细胞向Treg细胞分化，通过激活Foxp3和随后产生的抗炎细胞因子IL-10下调炎症，抑制促炎因子的分泌和效应。益生菌附着在上皮细胞产生的信号级联反应也能调节免疫系统。在以人为受试者的研究中发现，这种活动可以减少氧化应激反应，减轻RA慢性炎症及心脏不适[22]。

2.3 益生菌减轻RA的动物研究

益生菌能减轻牙周炎，同时减轻RA。Cardoso RS 等用乳双歧杆菌HN019(Bifidobacterium animalis subsp.lactis HN019)对患牙周炎的胶原诱导关节炎(collagen-induced arthritis，CIA)鼠进行干预，发现HN019能增加口腔中与牙周健康相关的细菌比例，促进牙周组织的保护作用，减少牙槽骨和骨关节损伤，降低ACPA、炎症介质水平，减轻关节炎症状[23]。研究结果反过来也证实了牙周炎和RA有相关性。

CIA鼠模型用干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)治疗后，抗炎细胞因子比例升高，关节肿胀、软骨损伤和淋巴细胞浸润减少，关节炎评分降低。有部分学者认为干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)发挥抗炎作用是环氧化酶COX-2和NF-κB失活导致的[20]。值得注意的是，益生菌在同一属水平，不同种水平作用不完全相同。将干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)CCFM1074和CCFM1075在相同条件下的CIA鼠模型中对比，发现两种菌株都下调了血浆IL-6和Th17细胞的比例，但只有CCFM1074能调节肠道菌群结构，降低另枝菌属(Alistipes)和副杆菌属(Parabacteroides)丰度，增加颤杆菌属(Oscillibacter )丰度。作为产丁酸菌， CCFM1074通过上调短链脂肪酸，增加了肠系膜淋巴结中Treg细胞的比例。和CCFM1075相比，CCFM1074有更多参与碳水化合物代谢的基因[24]。提示在选择治疗RA的益生菌菌株及描述益生菌对RA的作用时，属水平是不够精确的，应在不同种水平之间，从菌株特性、对肠道黏膜屏障的作用、免疫调节、代谢等多方面对比，为临床应用提供支持。

3、益生菌治疗RA的临床研究进展

益生菌治疗RA的RCT研究如表1所示，研究结果提示RA患者口服益生菌与未服用益生菌相比，能降低疾病活动度，减轻关节疼痛，重新调节抗炎与促炎平衡，改善氧化应激反应，但也有部分实验结果显示二者并无显著性差异。因为患者入选标准、益生菌配方及剂量、菌株间相互作用、观察时间、给药频次、观察终点、入组时基线疾病活动度以及其他合并用药均存在差异，所以单从上述RCT研究结果中并不能做出结论性判断。但寻找上述研究的共同点发现，高剂量干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)可能是RA患者最有效的辅助治疗选择，每天服用至少108 CFU/胶囊才能获得显著疗效。

表1 益生菌治疗RA在体研究

DAS28：类风湿关节炎疾病活动评分；VAS：视觉模拟评分；hs-CRP：超敏C反应蛋白；WBC：白细胞计数；TNF-α：肿瘤坏死因子-α；IL-6：白介素-6；IL-10：白介素-10；IL-12：白介素-12；NO：一氧化氮代谢产物；GSH：谷胱甘肽；SH：蛋白质巯基；TRAP：总自由基捕获抗氧化剂参数；-：实验中无相关研究

共生微生物群与宿主之间相互作用，平衡与失衡和健康密切相关。对肠道微生物的探索研究，有助于阐明其在RA发病机制中的作用。益生菌在重建RA患者的微生物群和缓解炎症方面具有重要作用。随着技术的发展和研究的深入，有望能够根据患者的个体化遗传学易感性、疾病发展阶段、临床特征和肠道微环境异常，精准地制定干预策略，目标性调节肠道微环境应答反应和免疫，更早、更好、更全面和精准地治疗类风湿关节炎。

DOI：10.3969/j.issn.1673-8705.2023.01.009来源于中华临床免疫和变态反应杂志

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